XXII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Концепция экогорода: переработка мусора

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Савелов Е.О. 1

---

1ГБОУ Инженерно-технологическая школа № 777 Санкт-Петербурга

Терешкова Л.Ф. 1

---

1ГБОУ Инженерно-технологическая школа № 777 Санкт-Петербурга

Работа в формате PDF

691.1 KB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Увеличение объема мусора — глобальная проблема экологов. Отходы на свалках негативно сказываются на окружающей среде, загрязняют почву и воздух опасными веществами, приводят к усилению парникового эффекта и серьезным изменениям климата. Чтобы это предотвратить, требуется своевременная перевозка и утилизация.

Вопрос воздействия мегаполисов на здоровье и природу уже нельзя игнорировать, поэтому я решил разработать концепцию экогорода с решением вопроса утилизации и переработки мусора. Для меня лично этот вопрос очень актуальный, так как в близи от Приморского района, где расположены мой дом и школа, находится Мусорный полигон «Новосёлки» в петербургском посёлке Левашово. Он конечно же сильно загрязняет экологию, от него очень часто доносятся неприятные запахи.

Объект исследования – экология мегаполисов.

Предмет исследования – переработка и утилизация мусора.

Цель исследования – создать модель экогорода, переработать мусор и получить из этого максимальную пользу.

В соответствии с данной целью были поставлены следующие задачи: 

1. Разобраться какие существуют виды отходов, зачем сортировать и перерабатывать мусор, познакомиться с современными способами переработки отходов и выявить, какие проблемы переработки мусора существуют в России.

2. Разработать концепцию Экогорода для решения проблем переработки отходов.

3. Создать макет экогорода с решением вопроса переработки мусора и произвести сборку моделей.

Гипотеза: мусор может сохранить и приумножить энергетические и тепловые ресурсы мегаполиса, так как отходы можно превратить в электричество и тепло.

Методы исследования:

Теоретические: изучение источников литературы и Интернет-ресурсов, опрос.

Практические: изучение основ моделирования, макетирования, конструирования и программирования, испытание моделей, составление фотоотчета.

Предполагаемые результаты проекта:

Практическое значение исследования заключается в том, чтобы довести результаты исследований до одноклассников, показать им, что заботиться об экологии – это необходимость для мегаполисов. Проект показывает как из одной только идеи, можно создать решение огромной проблемы мегаполиса и самое главное сохранять и восстанавливать экологию нашего района.

Глава 1. Теоретическая часть

1. 1. Классификация отходов

Откуда же берется мусор? Его производит сам человек, промышленность производит сначала продукты пользования, которые затем становятся мусором. Мусор – понятие неоднородное. Он классифицируется по разным параметрам: происхождению, источнику образования, степени опасности. Классификация позволяют подобрать наиболее оптимальный способ их утилизации. По происхождениювыделяется 4 группы:химические, минеральные, органические, коммунальные. По источнику образования выделяют производственный и потребительский мусор. По классу опасности:I - не разлагаются, считаются чрезвычайно опасными, II - высоко опасные, III - умеренно опасные, IV – малоопасные, V - безопасные.

1. 2. Зачем нужно перерабатывать и сортировать мусор?

Улучшение уровня жизни приводит к увеличению объема отходов. Если их не перерабатывать, площадь плодородных земель будет сокращаться. Свыше 90% всех отходов отправляется на полигоны, 3% из них сжигаются и 4% перерабатываются.¹

Сортировка отходов благоприятно повлияет на разные сферы жизни: экономику, экологию, финансы и природные ресурсы.

Но для этого людям надо знать общие правила сортировки, требования к условиям хранения отходов. 503-ФЗ о раздельном сборе мусора вступил в силу в 2017 году. Многие отходы поддаются переработке. Из 7 пластиковых (ПЭТ) бутылок объемом 1 литр получается 1 футболка. А из 700 алюминиевых банок 1 велосипед.²

1. 3. Какие проблемы утилизации существуют в РФ

Долгие годы в России практически не развивалась мусороперерабатывающая отрасль, из-за чего серьезно пострадала экология. Особенно неблагоприятное воздействие оказывает складирование большинства бытового мусора на полигонах.

Интересный факт! Оказывается, около 70% содержимого нашей мусорной корзины — это упаковка от товаров, которые мы используем в повседневной жизни.³

В России перерабатывается всего 8% от 400 млн. тонн бытовых отходов, а их объем продолжает расти. Только Москва и Московская область ежегодно производят 11 млн тонн отходов, и при этом 95% этого объема в итоге оказывается на полигонах.⁴

1. 4. Способы переработки отходов

Есть несколько вариантов обращения с отходами: захоронение, сжигание и переработка.

• Полигонное захоронение

Но подходит не для всех отходов. В 2018 году был обнародован перечень предметов, не подлежащих захоронению. Он включает 182 пункта. В 2021 году к нему добавились еще 4 позиции: компьютерная и бытовая техника, аккумуляторы и картриджи от принтеров.⁵

• Компостирование

• Брикетирование

• Пиролиз (обработка отходов высокими температурами)

• Газификация (предполагает обработку отходов под воздействием кислорода)

• Плазменный метод (впроцессе выделяется газ, который перегоняется в пар и используется для получения электроэнергии).

• Рециклинг (процесс переработки. Например, тканей – в одежду).

• Диспоузер - устройство для измельчения пищевых отходов, устанавливается в слив мойки, перемалывает остатки пищи в мелкую кашу, что позволяет смыть их в канализацию.⁶ Диспоузеры позиционируется как один из эффективных способов сократить объемы мусора на уровне домохозяйств, исключив из их состава органику.

Выводы:

В результате проведенного исследования, я познакомился с новейшими технологиями в области переработки мусора. Для меня было настоящим открытием узнать, что мусор может являться источником электричества, и правильная его переработка не нанесет вред экологии.

Полученные знания, подвели меня к процессу создания концепции моего «Экогорода». Я долго выбирал между экологичными и полностью закрытыми циклами переработки - пиролизом и плазменным методом, какой же все-таки способ наиболее эффективный. Детально проанализировав полученную информацию, я понял, что хотя они идентичны, но отличаются конечным продуктом. При пиролизе продукт частично превращается в газ, тогда как плазменная обработка обеспечивает полное преобразование.

Опыт самых развитых стран показывает, что участие каждого жителя вносит значительный вклад в развитие культуры грамотного обращения с отходами и помогает сделать процесс избавления от мусора безопасным и эффективным.

Глава 2. Практическая часть

2.1. Проведение опроса

В процессе исследовательской работы я предложил одноклассникам ответить на несколько вопросов по теме моего проекта. (Приложение 1). В анкетировании участвовали 15 человек. По результатам анкетирования выяснилось: все ребята считают, что необходима переработка мусора, многие уже сортирует его и большинство согласны, что необходим иной вариант транспортировки. В настоящим момент такой же опрос проводится управляющей компанией моего дома. Большинство собственников проголосовали за раздельный сбор мусора, что позволит сократить расходы на вывоз мусора. И это говорит о том, что уже начинаются предприниматься меры по улучшению и сохранению экологии.

2.2. Концепция переработки мусора Экогорода

В результате полученных знаний я приступил к созданию концепции переработки мусора, чтобы избавить свой район от неприятных запахов и вредный веществ в воздухе. Я решил установить завод на месте мусорного полигона Новосёлки, неподалеку от Левашова, тем самым избавить Приморский и Выборгский районы от неприятного запаха, в которых будет свободно дышать чистым воздухом.

Разобравшись с новейшими технологиями переработки мусора, я решил внедрить в концепцию Экогорода плазменный метод. В результате чего будет использоваться сырье с существующего мусорного полигона, производится энергия и топливо из отходов, тем самым обеспечивать электричеством и теплом завод и город. Количество мусора на свалке обеспечит завод сырьем на долгое время, но, чтобы этот процесс пополнения ресурсов был постоянным, необходимо обеспечить непрерывное поступление мусора экологичным способом. (Приложение 2 рис 1., рис.2)

На завод будет поступать только те отходы, что остались после сортировки и непригодны для вторичного использования. Далее отходы термически обрабатываются при температуре 1260 °С. Такие критические температуры сжигают абсолютно все, даже ядовитые диоксины. В этой зоне экстремального высокотемпературного сжигания исчезают все вредные элементы. Вторая зона – камера дожига газовых выбросов. Сюда поступают дымовые газы, образующиеся в процессе сжигания. Даже если допустить, что какие-то вредные вещества прошли первую зону, то при вторичном дожиге, где температура превышает 850 °С, они точно будут уничтожены. Кроме того, в камеру дожига впрыскивается специальный раствор, чтобы полностью убрать органические соединения и обезвредить дымовые газы. Затем дымовые газы и шлак попадают в реактор. Итак, тонна мусора через 15 минут после поступления в котел превращается в пар. Этот пар направляется в турбогенератор для производства электроэнергии. При этом на собственные нужды завода расходуется всего 5-10% производимой энергии, остальное поступает в сеть. После сжигания отходы уменьшаются на 90% в объеме. После термической переработки мусора остаются зола и шлак.

Я посмотрел на активное строительство жилых комплексов, проанализировав все плюсы и минусы установки диспоузеров в жилых домах, решилих внедрить вновостройки. Так как это установка требует глобальных реконструкций существующих систем водоотведения, будем внедрять эту систему поэтапно. В первую очередь при планировании подведения коммуникаций к новым домам, сразу же будем планировать установку систем водоотведения с требуемым наклоном вывода труб и установкой системы фильтрации, подведения этих труб к заводу для установки сборников биомассы, чтобы далее ее использовать для переработки. А вторым этапом запланирую установку диспоузеров в остальных домах. Конечно же я понимаю, что реконструкцию всей системы водоотведения произвести во всех районах невозможно, я предусмотрел установку герметичных сборников и фильтрации воды в непосредственной близости от жилых домов, напоминающие установку септиков в загородных домах. Сортировка мусора будет даваться гораздо легче по причине почти полного отсутствия пищевых отходов. Для завершения полного цикла транспортировки мусора, я считаю необходимо дополнить элемент системы Умного города. К местам установки герметичных сборников биомассы из органических отходов, а также контейнерам с сортировочным мусором подключить датчики заполняемости и подавать сигнал через систему для выезда робота беспилотника. Роботы будут отслеживать заполняемость и осуществлять транспортировку до места назначения.

По результатам предложенной мной концепции, мусорные полигоны превратятся в современные высокотехнологичные объекты, которые исключат неприятный запах и защитят окружающую среду, в том числе Приморский и Выборгские районы. И конечно же это решение поможет сохранить и приумножить энергетические ресурсы, избавится от несанкционированных свалок. Свалки рядом с жилыми районами будут закрыты, а на экологически восстановленных землях будут созданы парки и социальные объекты.

2.3. Технологическая последовательность создания макета

Продумав всю концепцию переработки мусора, я начертил чертеж и приступил к сборке макета «Экогорода». (Приложение 3 рис. 1).

Создание макета «Экогорода» осуществлялось согласно плану: разделить макет на отдельные зоны; сконструировать завод по переработке мусора; смоделировать зону расположения жилого дома, создать модель баков для сортировки мусора для печати на 3D принтере; собрать и запрограммировать робота, который отслеживает заполнение баков и транспортировку их на завод; составить фотоотчет и протестировать макет.

Я разбил лист пенокартона на несколько зон: место установки завода по переработке мусора, пространство с жилым домом и мусорными контейнерами для сортировки мусора, во внутренней части макета я проложил инженерные коммуникации (Приложение 3 рис.2).

1. Макет завода по переработке мусора

В процессе сборки я изучил механизм работы двигателя, как двигатель в процессе работы преобразует энергию в действие. Узнал, как работает и взаимодействуют между собой нагретый баллон с водяным паром и преобразует ее в энергию.

При помощи отвертки и болтов крепления собрал корпус завода, соединил между собой всю систему. (Приложение 3 рис.3, рис.4, рис.5, рис.6)

Из конструктора лего technic собрал транспортировочную ленту, для доставки мусора с полигона в герметичную трубу для дальнейшей переработки. Подключил элементы питания и протестировал полученную модель. (Приложение 3. рис.7, рис.8)

Имитацию мусорного полигона собрал из остатков пенокартона и пластилина. (Приложение 3. рис.9, рис.10)

2. Жилой дом и мусорные контейнеры для сортировки мусора

Из деревянного конструктора я смастерил жилой дом, поместил в него светодиодную ленту для подсветки и подключил к power bank. (Приложение 3. рис.11, рис.12).

Из стабилизированного мха и деревянной опоры сделал натуральные деревья. Деревянные стволы я пилил ножовкой, а мох приклеил клеевым пистолетом. (Приложение 3. рис.13, рис.14, рис.15)

В приложении Tinker cad cоздал модель мусорных баков и отправил на печати на 3D принтере. (Приложение 3. рис. 16, рис. 17, рис. 18, рис. 19).

К полученным мусорным бакам я подключил датчик заполняемости и магнит. Магнит я установил с помощью клеевого пистолета. Датчик заполняемости я подключил с помощью Arduino UNO R3, прописал номера пинов, загрузил программу в микроконтроллер и подключил через кабель питания от кроны. (Приложение 3. рис.20, рис.21, рис.22, рис. 23).

3. Макет робота.

Используя детали лего и блок управления конструктора Apitor, я собрал робота. В этой конструкции я использовал механизм «зубчатая передача движения», для этого мне понадобились шестеренки и пусковой механизм. Через приложение в телефоне запрограммировал блок управления. (Приложение 3 рис. 24, рис.25, рис.26, рис. 27).

На макет робота установил магнит для транспортировки мусорного бака.

Выводы:

Процесс создания макета «Экогорода» способствовал развитию у меня инженерного мышления. Это был первым для меня опыт работа с Arduino, программирование микроконтроллера. Я изучил физический процесс работы двигателя, который в процессе переработки мусора в сильно разогретом герметичном цилиндре преобразовывает полученный пар в энергию. Цель моего исследовательского проекта достигнута!!!

Я создал макет «Экогорода», протестировал модель завода и убедился, что действительно в процессе его работа преобразуется энергия. Мой робот тоже успешно прошел тестирование и через программу в телефоне, я смог задать ему маршрут.

Таким образом, в ходе реализации проекта у меня появились новые умения и навыки:

- самостоятельно решать технические задачи в процессе конструирования;

- создавать действующие модели и демонстрировать их технические возможности.

В результате реализации проекта «Концепция экогорода» у меня получился макет с применением современных экологических технологий, я познакомился с новыми для меня физическими процессами и механизмами, разобрался, как программировать микроконтроллер Arduino, создал завод, который не только спасет наш район от загрязненного воздуха и мусора, но и сохранит, приумножит ресурсы. (Приложение 3 рис. 28)

Заключение

Подведя итоги своей исследовательской работы, я пришел к следующим выводам:

• Экология каждого мегаполиса незамедлительно нуждается в создании концепции экогорода со своими четкими требованиями и ограничениями, чтобы восстановить и сохранить окружающую среду.

• Бытовой мусор это серьезная экологическая проблема всего человечества, которая наносит вред здоровью человека и окружающей его среде.

• С проблемами мусора должен бороться каждый человек, мы должны понимать к чему могут привести многочисленные свалки и оставленный мусор.

В процессе проведенной работы было установлено, что основными методами борьба с мусором является его сортировка, а также утилизация и переработка, с целью получения вторичного сырья и энергетические ресурсы.

Освоение безотходных производств – долговременное и кропотливое дело, которым предстоит заниматься ряду поколений ученых, инженеров, техников, экологов, экономистов и многих других специалистов. Полностью безотходное производство – далекая перспектива, но необходимо уже сейчас решать эту задачу, начиная с себя.

Процесс реализации своей концепции очень интересный, увлекательный и познавательный. Я провел настоящее исследование, детально изучив разные варианты переработки мусора и создал макет действующего завода допустимого для экогорода, который не производит никаких выбросов в атмосферу, не разрушает экологию, а наоборот сохраняет и увеличивает энергетические и тепловые ресурсы города, так как отходы при переработке вырабатывают электричество и тепло, тем самым доказал свою гипотезу.

Цель моего исследовательского проекта достигнута. Я создал макет «Экогорода» и теперь наглядно могу продемонстрировать свои открытия. В процессе работы были задействованы инженерные, математические, научные познания и технические навыки. Исследование оказалось очень интересным, познавательным и разносторонним.

Я попробовал себя в роли инженера-изобретателя и на практике познакомился с современными экологическими технологиями, получил дополнительные знания, полезные для своего дальнейшего профессионального и личностного развития. За инженерами, конструкторами, программистами, технологами – будущее нашей страны.

Научный прогресс не стоит на месте и постоянно развивается. Жизнь заключается в том, чтобы человек постоянно двигался вперед и не останавливался на достигнутом. В дальнейшем я планирую усовершенствовать свой проект и расширить использование элементов Умного города, уже изученных мной в этой работе, и я уверен, что меня ещё ждет много новых открытий.

Список использованной литературы

1. 1. 4 проекта экогородов, которые уже начали реализовывать// - URL: https://realty.rbc.ru/news/5ee86e0f9a7947674254ccad

2. Выкидывать в канализацию бытовые отходы могут запретить законом// - URL: https://iz.ru/1456527/evgeniia-pertceva/chistye-trudy-vykidyvat-v-kanalizatciiu-bytovye-otkhody-mogut-zapretit-zakonom

3. Методы переработки мусора// - URL: https://musor24.com/about/article/metodi-pererabotki-musora/

4. Минстрой не хочет спускать мусор в канализацию// - URL: https://www.kommersant.ru/doc/4521416

5. Не выбрасывайте еду! Переработка пищевых отходов дома: все способы

https://ecowiki.ru/articles/food-waste-recycling/

6. Отходное производство: мусор превратят в топливо при помощи пара// - URL: https://iz.ru/884838/mariia-nediuk/otkhodnoe-proizvodstvo-musor-prevratiat-v-toplivo-pri-pomoshchi-para

7. Переработка отходов – способы, методы, виды, классы и пути переработки// - URL: https://ecoportal.info/pererabotka-otxodov/

8. Планы на свалку: ликвидация мусорных полигонов пока затягивается// - URL: https://www.dp.ru/a/2022/10/21/Plani_na_svalku

9. Петербуржцы могут оценить проект нового мусороперерабатывающего завода в поселке Левашово// - URL: https://spbvedomosti.ru/news/gorod/peterburzhtsy-mogut-otsenit-proekt-novogo-musoropererabatyvayushchego-zavoda-v-poselke-levashovo/

10. Плазменная переработка мусора в России: плюсы и минусы// - URL: https://ekoproblema.ru/voprosi-i-otveti/ustanovki-plazmennoj-gazifikatsii-i-unichtozheniya-othodov-meditsinskih-nefteshlamov-bytovyh-tbo-opasnyh-plazarium-mgs-s-polucheniem-sintez-gaza?ysclid=lommkczt7v920614147

11. Придуман способ экологически чистой утилизации бытовых отходов// - URL: https://www.kommersant.ru/doc/5140420

12. Раздельный сбор мусора: как правильно сортировать отходы для переработки? https://rcycle.net/musor/razdelnyj-sbor/kak-pravilno-sortirovat-othody-dlya-pererabotki

13. Российские ученые научились сжигать мусор с помощью водяного пара// - URL: https://www.kp.ru/daily/27451/4654629/

14. Что мешает утилизировать органические отходы через петербургскую канализацию? // - URL: https://spb-neo.ru/o-kompanii/news/chto-meshaet-utilizirovat-organicheskie-otkhody-cherez-peterburgskuyu-kanalizatsiyu/

15. Энергия из отходов: новейшие технологии против мусора // - URL: https://rostec.ru/news/energiya-iz-otkhodov-zelenye-tekhnologii-protiv-musora/?ysclid=lp7vd8n32r323178960

Приложение 1

Вопросы для проведения анкетирования

Приложение 2

Плазменный метод переработки мусора

рис.1

Рис.2

Приложение 3

Процесс сборки и тестирования макета

1. Макет завода по переработке мусора

Рис.1

Рис.2

Рис.3 Рис.4 Рис.5

Рис.6 Рис.7 Рис.8

рис.9 рис.10

2. Жилой дом и мусорные контейнеры для сортировки мусора

Жилой дом и деревья

рис.11 рис.12

рис.13 рис.14 рис.15

Модель мусорных баков

Рис. 16 Рис. 17 Рис. 18

Рис. 19

Рис. 20 Рис. 21

Рис. 22 Рис. 23

3. Модель робота

Рис.24 Рис.25

Рис.26 Рис.27

Рис.28